Amélioration de l’efficacité des écrans OLED : Une voie vers la longévité des PHOLED bleues

Kate McAlpine

Les appareils commerciaux se contentent actuellement d’OLED bleues moins efficaces, mais une série d’innovations en matière de conception a permis de créer une OLED bleue efficace qui est aussi durable que les OLED vertes efficaces.

Des chercheurs de l’université du Michigan ont démontré que les OLED phosphorescentes bleues peuvent désormais durer aussi longtemps que les OLED phosphorescentes vertes déjà présentes dans les appareils, ouvrant ainsi la voie à une amélioration de l’efficacité énergétique des écrans OLED.

« Cela fait entrer les bleus dans le domaine des durées de vie vertes », a déclaré Stephen Forrest, Peter A. Franken Distinguished University Professor of Electrical Engineering et auteur correspondant de l’étude parue dans Nature Photonics.

« Je ne peux pas dire que le problème est complètement résolu – bien sûr, il n’est pas résolu tant qu’il n’entre pas dans votre écran – mais je pense que nous avons montré la voie vers une véritable solution qui a échappé à la communauté pendant deux décennies ».

Les écrans OLED sont la norme dans les smartphones phares et les téléviseurs haut de gamme, car ils offrent un contraste élevé et une grande efficacité énergétique, les variations de luminosité étant obtenues par les émetteurs de lumière plutôt que par une couche de cristaux liquides placée au-dessus. Cependant, toutes les OLED n’ont pas la même efficacité énergétique.

Dans les écrans actuels, les OLED rouges et vertes produisent de la lumière par la voie très efficace de la phosphorescence, tandis que les OLED bleues utilisent encore la fluorescence. Cela signifie que si les OLED rouges et vertes ont un maximum théorique d’un photon pour chaque électron traversant le dispositif, les OLED bleues plafonnent à une efficacité bien plus faible.

Le problème est que la lumière bleue est l’énergie la plus élevée qu’un dispositif RVB doit produire : Les molécules des OLED phosphorescentes bleues (PHOLED) doivent gérer des énergies plus élevées que leurs homologues rouges et vertes. La plus grande partie de l’énergie part sous forme de lumière bleue, mais lorsqu’elle est piégée, elle peut décomposer les molécules productrices de couleur.

L’équipe de M. Forrest a découvert précédemment qu’il existait un moyen d’évacuer plus rapidement cette énergie piégée en ajoutant un revêtement sur l’électrode négative qui aide l’énergie à se convertir en lumière bleue. Haonan Zhao, récemment titulaire d’un doctorat en physique, a déclaré que cela revenait à créer une voie rapide.

« Sur une route qui n’a pas assez de voies, les conducteurs impatients peuvent se heurter l’un l’autre, coupant tout le trafic, tout comme deux excitons qui se heurtent l’un l’autre créent une grande quantité d’énergie chaude qui détruit la molécule », a ajouté Zhao, premier auteur de cette étude et de la nouvelle. « Le plasmon exciton polariton est notre conception optique d’une voie rapide pour les excitons. »

Les détails sont basés sur la mécanique quantique. Lorsqu’un électron entre par l’électrode négative, il crée ce que l’on appelle un état excité dans l’une des molécules qui produisent de la lumière bleue. Cet état se compose d’un électron chargé négativement qui passe à un niveau d’énergie supérieur et d’un « trou » chargé positivement que l’électron laisse derrière lui – ensemble, ils forment un exciton.

Dans l’idéal, l’électron reviendrait rapidement à son état d’origine et émettrait un photon bleu, mais les excitons qui empruntent la voie de la phosphorescence ont tendance à rester dans les parages. Le simple fait de revenir à leur état d’origine violerait une loi de la mécanique quantique. Cependant, les excitons situés très près de l’électrode produisent des photons plus rapidement parce que la surface brillante supporte une autre quasiparticule quantique : les plasmons de surface. Ceux-ci sont comme des ondulations dans l’étang d’électrons à la surface du métal.

Si l’exciton du matériau émetteur de lumière est suffisamment proche de l’électrode, il est aidé dans la conversion en lumière bleue car il peut décharger son énergie dans un plasmon de surface, un phénomène connu sous le nom d’effet Purcell. L’exciton oscille un peu comme une antenne de radiodiffusion, ce qui crée des ondes dans les électrons de l’électrode. Toutefois, cela n’est pas automatiquement utile, car tous les plasmons de surface ne produisent pas de photons. Pour obtenir le photon, l’exciton doit s’attacher au plasmon de surface, ce qui produit un polariton exciton plasmon.

L’équipe de Forrest a encouragé cette voie en ajoutant une fine couche d’un semi-conducteur à base de carbone sur l’électrode brillante, ce qui encourage l’exciton à transférer son énergie et à résonner de la bonne manière. Elle étend également l’effet plus profondément dans le matériau émetteur de lumière, de sorte que les excitons situés plus loin de l’électrode peuvent en bénéficier.

L’équipe a publié un rapport à ce sujet l’année dernière et, depuis, elle a combiné cet effet avec d’autres approches pour produire enfin une PHOLED bleue qui peut durer aussi longtemps et brûler aussi intensément qu’une PHOLED verte. Voici les grandes lignes de la conception :

• Deux couches émettrices de lumière (une OLED en tandem) : La charge d’émission de lumière de chaque couche est divisée par deux, ce qui réduit les chances que deux excitons fusionnent.
• L’ajout d’une couche qui aide les excitons à résonner avec les plasmons de surface près des deux électrodes, de sorte que les deux couches émettrices ont accès à la voie rapide.
• L’ensemble de la structure est une cavité optique, dans laquelle la lumière bleue résonne entre les deux électrodes en forme de miroir. Cela pousse la couleur des photons plus loin dans la gamme des bleus.

Cette étude a été soutenue en partie par le ministère de l’énergie et Universal Display Corporation. Claire Arneson, étudiante en doctorat de physique à l’U-M, a également contribué à cette étude. Le dispositif a été construit dans le Lurie Nanofabrication Facility et étudié au Michigan Center for Materials Characterization.

Légende illustration : La PHOLED brille en bleu. Le nouveau dispositif, développé dans le laboratoire de Steve Forrest à l’université du Michigan, montre une voie pour des OLED bleues efficaces qui peuvent durer aussi longtemps que les OLED vertes et rouges efficaces déjà présentes dans les téléviseurs haut de gamme et les écrans phares des smartphones. PHOTO : Jero Lopera, Génie électrique et informatique, Université du Michigan

Article : « Les appareils commerciaux se contentent actuellement d’OLED bleues moins efficaces, mais une série d’innovations en matière de conception a permis de créer une OLED bleue efficace qui est aussi durable que les OLED vertes efficaces. » – DOI : 10.1038/s41566-025-01679-0